Dispensa n.6
In questa dispensa studieremo il significato delle inversioni
termiche e le correlazioni intercorrenti tra temperatura e
movimento orizzontale delle masse d'aria. Per gli approfondimenti
bisognerà fare riferimento al corso avanzato di meteorologia (in preparazione).
Nelle precedenti lezioni abbiamo visto che in un diagramma
cartesiano, in cui in ascissa abbiamo posto la temperatura e in
ordinata l'altezza rispetto al livello del mare, l'andamento
della temperatura stessa nella troposfera è decrescente.
Questa diminuzione cessa in un punto che abbiamo definito tropopausa.
Questa diminuzione con la quota rappresenta l'andamento normale
della temperatura.
Abbiamo anche visto che la temperatura al suolo è
condizionata da diversi fattori, tra cui l'inclinazione della
superficie rispetto ai raggi del Sole. Vi sono punti della Terra
che ricevono un maggior contributo di calore dai raggi solari, e
altri che ne ricevono in minor misura, in relazione alla loro
latitudine.
Infatti i raggi solari giungono maggiormente inclinati in
prossimità dei poli terrestri, mentre all'equatore i raggi
solari giungono diretti.
Per avere un'idea concreta, immaginate un fascio di raggi
solari.
Su una superficie perpendicolare essi risultano concentrati.
Se lo stesso fascio colpisce una superficie inclinata, i raggi
risulteranno dispersi su una superficie più ampia, per cui il
contributo di calore su ogni singolo punto colpito sarà minore.
Un altro fattore importante è rappresentato dalla capacità
termica dei diversi corpi: terra, roccia, acqua, terreno erboso,
sabbia, ecc. ognuno di questi materiali si comporta
differentemente rispetto all'energia ricevuta dal Sole.
Sostanzialmente terra e acqua possiedono una diversa capacità
termica. Se immaginiamo una superficie, per metà costituita da
terra e per metà costituita da acqua, noteremo che benchè
colpiti dalla medesima quantità di energia solare, il calore
viene incamerato con modalità differenti. La terra si riscalda
molto rapidamente. Dal sorgere del Sole, la temperatura delle
superfici rocciose subisce un'impennata. Analogamente avviene con
il tramonto. La roccia si raffredda con la stessa rapidità con
cui era avvenuto il riscaldamento. Invece il mare ha un andamento
molto meno brusco, poiché la sua capacità termica è
differente. Esso, infatti, si riscalda molto lentamente sotto
l'incalzare dei raggi solari, e conseguentemente cede molto
lentamente il calore incamerato.
Da questo diverso comportamento rispetto al calore, deriva un
diverso riscaldamento delle masse d'aria che giacciono su
ciascuna di quelle superfici, poiché, come abbiamo già detto,
il riscaldamento dell'atmosfera avviene soprattutto dal basso.
La variazione di temperatura con la quota prende il nome di gradiente
termico verticale. Il valore (medio) è stato fissato in 0,65 gradi per ogni 100 metri di elevazione
(oppure 2 gradi ogni 1000 piedi).
Un aereo in decollo troverà man mano che si alza, temperature
più alte o più basse?
Normalmente, per quanto visto, incontrerà via via temperature
più basse.
Un altro fattore che entra in gioco nel riscaldamento delle
superfici terrestri è costituito dalla copertura nuvolosa del
cielo. Quale relazione intercorre tra condizioni del cielo e
temperatura?
Se durante le ore di sole, la terra ha incamerato energia,
innalzando quindi la propria temperatura, con l'avvento del
tramonto perderà la sua fonte di riscaldamento e comincerà a
raffreddarsi, poiché irraggerà verso l'alto più energia di
quanto ne stia ricevendo (il bilancio termico diventa negativo,
perde più energia di quanto ne riceva). Se il cielo è sereno,
tutta l'energia irradiata dal suolo si disperde, determinando un
forte raffreddamento del suolo stesso. Se invece il cielo è
molto nuvoloso o coperto, una parte dell'energia irradiata verso
l'alto sarà riflessa verso il suolo, che pertanto si
raffredderà molto meno.
Fissati questi aspetti fondamentali, possiamo considerare il
concetto di inversione termica.
L'inversione termica rappresenta un andamento anomalo della
temperatura con la quota. Normalmente la temperatura dovrebbe
decrescere. Si verifica talvolta, che invece di diminuire, la
temperatura aumenta. Siamo di fronte ad una inversione termica.
Quali tipi di inversione possiamo avere?
Possiamo distinguere due tipi di inversione:
L'inversione al suolo si verifica quando, partendo dalla
superficie terrestre, la temperatura anziché diminuire, aumenta.
Fino ad una certa quota, in cui tale fenomeno cessa e la
temperatura riprende a comportarsi normalmente. Questa quota
prende il nome di margine superiore dell'inversione.
Quali sono le cause che generano l'inversione?
Una delle cause va ricercata nel rapido raffreddamento
notturno degli strati atmosferici più vicini al suolo, che perde
calore con la stessa velocità con cui lo ha acquistato durante
il giorno (irraggiamento notturno). Per questo motivo,
l'aria vicina al suolo, risentendo del raffreddamento del suolo,
finisce per essere più fredda di quella posta negli strati
superiori. Con cielo sereno ed assenza di vento, la possibilità
che si verifichi, di notte, una inversione diventa molto elevata, poiché l'assenza di nubi contribuisce alla dispersione del
calore verso lo spazio. Sapete come si può osservare una
inversione? Innanzitutto, è più facile osservarla sul mare o
sulla terraferma?
Se abbiamo legato il fenomeno dell'inversione al rapido
raffreddamento della superficie su cui sosta l'aria, il luogo
deputato a rapide variazioni di temperatura non può essere il
mare, dove le variazioni di temperatura esistono ma sono molto
lente e graduali. Quindi, l'inversione, il più delle volte, si
verifica sulla terraferma. Tornati con i piedi per terra, tutte
le volte che osservando fumi emessi dai fumaioli di fabbriche,
vediamo che questo fumo anziché fluire verso l'alto, ha un
andamento molto inclinato e sembra quasi bloccarsi ad una
determinata quota.
Siamo in presenza di una inversione, e la quota a cui il fumo
sembra fermarsi rappresenta il margine superiore dell'inversione.
In condizioni normali, il fumo fluirebbe quasi verticalmente
in assenza di vento, o, comunque, tenderebbe a disperdersi verso
l'alto.
L'inversione in quota è caratterizzata da una variazione del
normale andamento della temperatura che si verifica ad una quota
intermedia della troposfera.
Partendo dal suolo, la temperatura comincia a decrescere con
il suo solito andamento. Giunti ad una determinata altezza, si
verifica l'anomalia: la temperatura, improvvisamente, comincia ad
aumentare, dando inizio all'inversione termica in quota. Questa
quota dove inizia il fenomeno, si chiama margine inferiore
dell'inversione.
La causa dell'inversione, in questo caso, è da ricercarsi nel riscaldamento specifico di quello strato
d'aria (dovuta, ad esempio, alla subsidenza, ovvero alla discesa di aria da
quote superiori che si riscalda per compressione).
In questo paragrafo accenneremo brevemente ai fronti
atmosferici, che invece costituiranno argomento del prossimo anno
di studi (vedi corso avanzato di meteorologia).
Sulle carte del tempo, i fronti si identificano con linee
colorate di blu o di rosso o di viola, e stanno ad indicare il
contatto al suolo tra masse d'aria con caratteristiche termiche
differenti.
Sulle linee blu vi sono dei triangolini con la punta rivolta
nel verso del movimento della massa d'aria, e rappresentano il
fronte più avanzato di una massa d'aria fredda (fronte
freddo).
Sulle linee rosse appaiono dei semicerchi, anch'essi rivolti
nella direzione di movimento della massa d'aria, e rappresentano
il fronte più avanzato di una massa d'aria calda (fronte
caldo).
Le linee viola stanno ad indicare i cosiddetti fronti occlusi,
che possiedono caratteristiche sia del fronte freddo che del
fronte caldo (dalla cui fusione si può dire esse nascono). Tale
caratteristica è ben rappresentata graficamente, in quanto su
queste linee si alternano semicerchi e triangolini.
Riassumendo:
Linee rosse = semicerchi = fronte caldo
Linee viola = semicerchi + triangolini = fronte occluso.
L'afflusso di aria fredda, indicato col fronte freddo, scalza
l'aria calda che le sta davanti e invade la regione su cui si sta
spostando.
Le temperature registrate al suolo possono darci indicazioni
utili sul sopraggiungere dell'aria fredda, in quanto subiranno
una flessione più o meno marcata.
Ovviamente non si possono fare previsioni soltanto osservando
l'andamento delle temperature. Tuttavia si possono fare delle
considerazioni fondamentali.
Abbiamo più volte ricordate che l'aria calda è meno densa
dell'aria fredda. Questo significa sostanzialmente che l'aria
più è calda più è leggera. L'aria fredda è più densa e
perciò è più pesante dell'aria calda.
Abbiamo anche visto che, se non vi fosse uno scambio termico
fra i Poli e l'Equatore, i Poli si raffredderebbero sempre più e
l'Equatore si surriscalderebbe. Il meccanismo che innesta lo
scambio di calore è il diverso riscaldamento delle masse d'aria
che giacciono su quelle regioni della Terra.
Sulle fasce equatoriali, l'aria si riscalda molto, quindi
diventa più leggera e tende a sollevarsi verso l'alto.
Sui Poli l'aria diventa molto fredda e densa. Quindi,
diventando più pesante, tende ad addensarsi verso il basso.
Questo diverso comportamento verticale dell'aria pone le basi
per la creazione di ampie zone di alta e bassa pressione. Sui
Poli, a causa della spinta dell'aria verso il basso, si creeranno
aree di alta pressione, sull'Equatore, per il motivo opposto,
cioè per la spinta dell'aria verso l'alto, si formeranno delle
aree di bassa pressione.
Sulle carte del tempo, le aree di bassa pressione si indicano
con una lettera L (low) di colore rosso, disegnata in
corrispondenza del minimo di pressione. L'alta pressione si
indica con la lettera H (high) di colore blu.
Se sull'Equatore si creano zone caratterizzate da pressione
più bassa, e sui Poli si formano aree di alta pressione, che
meccanismo potrebbe ingenerarsi? Cosa accade in natura,
generalmente, quando vi è un dislivello?
Se avvicino un corpo caldo ad un corpo freddo, i due corpi
tenderanno ad assumere la stessa temperatura, poiché il calore
posseduto in più da uno viene ceduto all'altro, finché non si
raggiunge un equilibrio termico fra i due corpi.
Se prendiamo due contenitori comunicanti tra loro per mezzo di
un tubicino posto alla base, e riempio uno di essi d'acqua,
immediatamente anche nell'altro contenitore affluirà l'acqua
attraverso il tubicino, e il movimento dell'acqua cesserà quando
i due contenitori avranno raggiunto esattamente lo stesso livello
d'acqua.
Lo stesso si verifica nell'atmosfera quando si crea una
differenza di pressione tra due aree. L'aria si metterà in
movimento per colmare il dislivello, e precisamente il movimento
si compirà dalle aree di alta pressione (dove c'è
"più" aria), verso quelle di bassa pressione (dove
c'è, in quel momento, "meno" aria).
Come potete osservare, differenze di temperatura si sono
tradotte in differenze di pressione, tali da generare un
meccanismo globale di compensazione.
In piccolo, questo meccanismo prende il nome di brezza,
ovvero la brezza identifica il vento che si forma localmente per
differenze termiche generate dal diverso riscaldamento di
superfici vicine tra loro.
D'estate sulle coste, tutti possiamo osservare l'insorgere (a
volte quasi cronometrico) di un vento leggero proveniente dal
mare: è la cosiddetta brezza di mare.
Ancora una volta siamo di fronte ad un meccanismo di
compensazione generato da un dislivello termico. Dal momento in
cui sorge il Sole, la terra prende a riscaldarsi sempre più
rapidamente, mentre il mare lo fa molto gradualmente.
L'aria a contatto con il suolo, pertanto, si riscalda
anch'essa molto rapidamente per contatto, diventando quindi più
leggera.
Sollevandosi, innesca il meccanismo della brezza, poiché al
suolo viene richiamata l'aria più fresca giacente sul mare.
Questo movimento dell'aria dal mare verso la terra prende il nome
di brezza di mare.
In quota, invece, accade esattamente il contrario. L'aria che
abbandona il mare verso la terra richiama aria dagli strati
superiori, ove si crea pertanto una depressione che finisce per
richiamare a sua volta aria dalle zone circostanti e soprattutto
dalla zona dove l'aria calda, sollevandosi, sta affluendo in
maggior quantità. Si innesca un meccanismo detto convezione,
ovvero una cellula in cui l'aria segue un movimento circolare.
Riassumendo, in questa lezione abbiamo visto:
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l'importanza delle differenze termiche nell'innesco dei
movimenti dell'aria.
(rev.01/2003)
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